In natura esistono tre isotopi dell'idrogeno (H): 1H (prozio), 2H (deuterio) e 3H (trizio), mentre gli altri (da 4H a 7H) hanno un nucleo fortemente instabile che impedisce un'emivita superiore anche solo al millesimo di secondo.
1H (massa atomica 1,007825032241(94)u) è il più comune isotopo dell'idrogeno, con un'abbondanza isotopica del 99,985%. Poiché il suo nucleo consiste solamente in un singolo protone, gli è stato dato il nome formale di prozio. Quindi, l'unico fra gli isotopi stabili a non avere neutroni.
2H (massa atomica 2,01410177811(12)u), l'altro isotopo stabile dell'idrogeno, è conosciuto come deuterio e contiene all'interno del suo nucleo un protone ed un neutrone. La molecola che invece di due atomi di idrogeno ne ha due di deuterio (D2O) è chiamata acqua pesante e compone in piccola parte l'acqua che utilizziamo ogni giorno.
Il deuterio è anche un potenziale carburante per i reattori a fusione nucleare.[1]
3H (massa atomica 3,01604928199(23) u) è conosciuto come trizio e il suo nucleo è composto da un protone e due neutroni. È un isotopo radioattivo e decade in elio-3 attraverso decadimento β, con un'emivita di 12,32 anni. Tracce di trizio sono presenti in natura a causa dell'interazione tra i raggi cosmici e i gas atmosferici. È stato inoltre rilasciato nell'ambiente durante i test nucleari. Esso viene impiegato per la costruzione di armi termonucleari, come in geochimica isotopica e per la produzione di sorgenti luminose radioluminescenti.
Il trizio è stato inoltre impiegato in medicina nucleare come tracciante negli esami diagnostici, ma oggi il suo utilizzo in questi esami è raro.
4H è un isotopo dell'idrogeno altamente instabile. Il nucleo contiene un protone e tre neutroni. È stato sintetizzato in laboratorio bombardando delle molecole di trizio con nuclei di deuterio ad alta velocità.[2] In questo esperimento, i nuclei di trizio hanno catturato i neutroni dei nuclei di deuterio. La presenza di idrogeno-4 è stata dedotta individuando i protoni emessi. La massa atomica di questo isotopo è di 4.027806 ± 0.000110 uma.[3] Decade tramite emissione di neutroni e ha un'emivita di (1.39 ± 0.10) × 10−22secondi.[4]
5H è un isotopo dell'idrogeno altamente instabile. Il nucleo contiene un protone e quattro neutroni. È stato sintetizzato in laboratorio bombardando delle molecole di trizio con nuclei di trizio ad alta velocità.[2][5] In questo esperimento, un nucleo di trizio cattura due neutroni dell'altro, e si viene a formare un nucleo con un protone e quattro neutroni. I protoni rimanenti possono essere individuati, e quindi dedotta l'esistenza dell'idrogeno-5. Questo isotopo decade tramite emissione di neutroni e ha un'emivita di almeno 9.1 × 10−22secondi.[4] La sua massa atomica è di 5.035311 ± 0.000107 uma.[3]
Idrogeno-6
6H ha un protone e 5 neutroni, tende quindi a decadere con emissione di neutroni[6] in due possibili catene di decadimento:
L'idrogeno-6 ha un'emivita di 2,90×10−22s che non ne permette alcun utilizzo pratico. Ha una massa atomica di 6,044942±0,000284 u.[3]
Idrogeno-7
7H è formato da un protone e sei neutroni. È stato sintetizzato per la prima volta da un gruppo di ricercatori russi, giapponesi e francesi al laboratorio RIKEN bombardando dell'idrogeno con degli atomi di elio-8[7].
La maggior parte degli isotopi pesanti dell'idrogeno decadono direttamente in 3H, il quale a sua volta decade nell'isotopo stabile 3He. Tuttavia è stato osservato che occasionalmente 6H decade direttamente nello stabile 2H.
Si noti che il tempo di decadimento è espresso in yoctosecondi per tutti gli isotopi eccetto 3H, per il quale è espresso in anni.
^ab G. M. Ter-Akopian, et al., American Institute of Physics Conference Proceedings 610, Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam, Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001, pp. 920-924, DOI:10.1063/1.1470062.
^(EN) A. A. Korsheninnikov, M. S. Golovkov; I. Tanihata; A. M. Rodin; A. S. Fomichev; S. I. Sidorchuk; S. V. Stepantsov; M. L. Chelnokov; V. A. Gorshkov; D. D. Bogdanov, Superheavy Hydrogen 5H, in Physical Review Letters, 2001, DOI:10.1103/PhysRevLett.87.092501.